CRTSⅡ型板式无砟轨道稳定性分析及养修建议

谭社会 方文珊 林超

（1.中国铁路上海局集团有限公司，上海 200071；2.中国铁路经济规划研究院有限公司，北京 100038；3.铁路轨道安全服役湖北省重点实验室，武汉 430063）

CRTSⅡ型板式无砟轨道为连续型轨道结构，国内首次应用于京津城际铁路，随后在沪杭、京沪、京石武、宁杭、杭甬、杭长、合福等10 余条高速线路中大规模应用。目前我国CRTSⅡ型板式无砟轨道运营里程近9 000 km，铺设范围主要在华北、华东地区［1］。自投入运营以来，CRTS Ⅱ型板式无砟轨道总体使用情况良好，但在夏季极端气候和持续高温条件等因素作用下，个别薄弱地段出现过胀板病害［2-3］，已采用注胶、植筋加固等措施进行整治［4-7］。考虑高铁高安全性、高稳定性的需求，结合目前运营状况，开展运营期CRTSⅡ型板式无砟轨道结构稳定性分析很有必要。

本文以在线监测为技术手段，以结构薄弱地段为监测对象，以监测数据为参照基础，分析轨道结构变化规律，以指导养护维修。

1 监测方案

1.1 工点概况

合福高速铁路设计时速300 km，其中，蚌福联络线金寨路特大桥的蚌埠侧桥台台尾86 m 摩擦板及台前480 m 简支梁处于小半径曲线上（曲线半径550 m，为全路CRTSⅡ型板式无砟轨道曲线半径最小地段），桥台前方的路桥过渡段为有砟无砟轨道结合部。在该处建立监测点，研究运营期CRTSⅡ型板式无砟轨道的稳定性。

1.2 监测方法

采用光纤光栅传感器进行轨道结构温度、位移和应力等参数的长期监测。与传统的电参数测试技术相比，光纤光栅技术具有测量精度高、抗电磁干扰、无零漂、防水防潮性能好、长期使用性能稳定等优点，满足高速铁路长期监测的需要［8］。

1.3 监测内容及测点布置

现场共设置36 个测点（表1），其中温度测点11个，监测气温、轨温、轨道板温度、底座板温度、桥梁温度；位移测点13个，监测钢轨与轨道板相对位移、底座板与桥面相对位移；应力测点12 个，监测钢轨伸缩附加力、侧向挡块混凝土应力。

表1 现场测点布设

2 温度场分析

2.1 大气温度与轨道板温度

根据监测数据，2015 年和2016 年轨道板温度（简称板温）与大气温度变化见图1。可知：2015年的年最高气温、板温分别为38.4，48.3 ℃；2016年的年最高气温、板温分别为40.4，50.7 ℃；最高板温（板中）比最高气温高约10 ℃。

图1 2015年和2016年轨道板温度与大气温度变化

2.2 轨道板垂向温度梯度

2016年8—12月轨道板不同深度处温度的变化见图2。可知，轨道板不同深度存在温度差。白天轨道板表面温度高于轨道板底面，为正温度梯度；夜间轨道板表面温度低于轨道板底面，为负温度梯度。

图2 轨道板不同深度处温度的变化

2016年8—12月轨道板垂向温度梯度变化曲线见图3。可知，从8 月到12 月，轨道板的温度梯度呈减小趋势。其中，2016 年8 月4 日，轨道板的正温度梯度日最大值达到了89.4 ℃∕m，与规范设计值（90 ℃∕m）很接近［9-10］。

图3 轨道板温度梯度变化曲线

2.3 持续高温对轨道板温度的影响

持续高温是指日最高气温≥35 ℃且持续时间不少于3 d［11-12］。2015 年的持续高温期为7 月27 日—8 月5日，2016 年为7 月21 日—8 月19 日。这2 年的持续高温期及其前后各3 d的板温与气温见图4。

图4 持续高温期及其前后各3 d的板温与气温

从图4 可知：①2015 年和2016 年的持续高温期内轨道板日温差变化平均值分别为12.9 ℃和13.2 ℃。②2015 年和2016 年，持续高温开始前3 d 日最高板温与日最高气温的温差的平均值分别为5.7 ℃和7.1 ℃；持续高温期内分别为8.4 ℃和9.7 ℃；持续高温结束后3 d 分别为3.8 ℃和6.4 ℃。③2015 年，持续高温第5天板温达到最高值，为46.7 ℃，当日板温与气温的温差为9.4 ℃；2016 年持续高温第4 天板温达到最高值，为50.6 ℃，当日板温与气温的温差为10.4 ℃。

综上，轨道板的温度受气温影响很大，持续高温期越长，板温越高，与气温的差值越大。持续高温4～5 d 时板温达到最高值。因此，持续高温超过3 d就须加强对现场的检查，及时消除安全隐患。

3 位移分析

3.1 钢轨与轨道板纵向相对位移

简支梁桥上和端刺区段的钢轨与轨道板纵向相对位移见图5。

图5 钢轨与轨道板纵向相对位移

从图5（a）可知，简支梁桥上钢轨与轨道板纵向相对位移最大值为0.9 mm（绝对值），且年变化量小于1.0 mm，说明CRTSⅡ型板式无砟轨道结构整体性好，不易出现胀轨跑道现象。在轨道结构良好的情况下，可适当减少防爬位移观测桩的数量，但对特殊结构处（如道岔、钢轨伸缩调节器）及结合部仍应长期观测。

从图5（b）可知，端刺区段钢轨与轨道板纵向相对位移最大值为2.4 mm（绝对值），大于简支梁桥上区段。这主要是因为端刺区段位于有砟无砟轨道分界点附近，由于有砟轨道道床纵向阻力比无砟轨道小，夏季钢轨容易产生向有砟轨道方向移动的趋势。但是钢轨与轨道板纵向相对位移变化量在设计允许变化范围内，说明小半径曲线段的CRTSⅡ型板式无砟轨道结构纵向稳定性满足要求。

3.2 垂向相对位移

图6 轨道板板端与底座板垂向相对位移

轨道板板端与底座板垂向相对位移（翘曲量）见图6。可知，板端翘曲量最大值为1.08 mm，出现在2016 年8 月4 日，而当天的温度梯度值是年度最高值且接近规范设计值。说明在设计的温度梯度范围内，轨道板垂向稳定性变形满足要求。

为进一步分析轨道板板端翘曲量与温度梯度的关系，将高温月份（2016 年8 月）轨道板与底座板垂向相对位移y与轨道板温度梯度x进行拟合，见图7。可知，二者存在明显的线性相关性，相关系数为0.91。

图7 轨道板板端翘曲量与温度梯度的关系

4 钢轨应力分析

简支梁桥上和路基区段的钢轨应力见图8。可知：简支梁桥上区段钢轨全年处于受压状态，最大压应力为118 MPa；路基区段钢轨冬季受拉，最大拉应力为18 MPa，夏季受压，最大压应力为73 MPa。

图8 简支梁桥上和路基区段的钢轨应力

5 结论

1）持续高温期间最高轨道板温度与日最高气温的差值较邻近的非高温期高约3 ℃，持续高温第4～5天轨道板温度达到最高。持续高温超过3 d 就须加强对现场的检查，以消除安全隐患。

2）简支梁桥上区段钢轨与轨道板纵向相对位移最大值为0.9 mm，且年变化量小于1.0 mm。CRTSⅡ型板式无砟轨道结构整体性好，可适当减少防爬位移观测点数量，但对特殊结构处及结合部仍应长期观测。

3）端刺区段的钢轨与轨道板相对位移的最大值为2.4 mm，大于简支梁区段，但在设计允许范围内。小半径曲线段的CRTSⅡ型板式无砟轨道结构纵向稳定性满足要求。

4）轨道板与底座板的垂向相对位移与轨道板温度梯度存在明显的线性相关性。在设计温度梯度范围内，轨道板垂向稳定性满足要求。

5）简支梁上区段的钢轨全年处于受压状态；路基区段的钢轨冬季受拉，夏季受压。